CN110582634A - 用于风力涡轮机转子叶片的气动装置的安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机（10）的转子叶片（20），该转子叶片包括可以通过使用压力供应系统（30）来气动地致动的气动装置（28）。压力供应系统（30）包括：加压空气供应系统（31）；加压空气传输系统（32），其具有用于将所供应的加压空气从加压空气供应系统（31）传输到气动装置（28）的压力管线；至少一个气动致动器（33），其用于激活气动装置（28）；以及安全系统，其用以保护转子叶片（20）免受由加压空气传输系统（32）和/或致动器（33）中的超压所引起的损害。该安全系统包括用于从加压空气传输系统（32）和/或致动器（33）排放加压空气的器件。此外，本发明涉及一种用于发电的风力涡轮机（10），其包括至少一个这样的转子叶片（20）。

Description

用于风力涡轮机转子叶片的气动装置的安全系统

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片的安全系统，该转子叶片包括可以通过使用压力供应系统来气动地致动的气动装置。此外，本发明涉及一种用于发电的风力涡轮机，其包括具有安全系统的此类转子叶片。

背景技术

使用用于风力涡轮机转子叶片的气动装置以便影响转子叶片的气动性质是已知的。气动装置的示例是襟翼（flap）、缝翼（slat）或扰流板（spoiler）。对于低于风力涡轮机的额定风速的风速，这些气动装置可增加转子叶片的升力，和/或对于高于风力涡轮机的额定风速的风速，这些气动装置可减小转子叶片的升力（并且因此减小负载）。在该上下文中，风力涡轮机的额定风速被称为风力涡轮机达到其标称输出功率的风速。对于现代工业风力涡轮机，额定风速经常在每秒八米和十二米之间。

此类气动装置可被动地改变风力涡轮机转子叶片的轮廓。这意味着，由于对气动装置的巧妙和精心的设计，当达到或超过涉及预定参数（例如，风速或风压）的特定阈值时，转子叶片的轮廓的改变得以实现。

替代地，气动装置可主动地工作。用于激活气动装置的致动机构的示例是气动、机械、电动或液压机构。主动致动气动装置的优点是气动装置的通用性更好。此外，原则上可以更具选择性地使用主动地工作的气动装置，因为对气动装置的激活不必须取决于达到或超过某些外部参数（诸如，风压或风速）。作为替代，主动地工作的气动装置也可取决于风力涡轮机的其他工作条件被激活，或仅由控制风力涡轮机的人“按需”激活。

迄今为止，尚未详细研究或描述以特定方式使用气动致动器以便激活或停用风力涡轮机转子叶片的气动装置。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机的转子叶片的可靠的压力供应系统，其中，适当地考虑了风力涡轮机的具体要求和需求。

该目的通过根据独立权利要求的本发明实现。在从属权利要求中公开了有利的修改和实施例。

根据本发明，提供了一种风力涡轮机的转子叶片，其中，转子叶片包括气动装置，该气动装置可以通过使用压力供应系统而气动地致动。压力供应装置包括：加压空气供应系统；加压空气传输系统，其具有用于将所供应的加压空气从加压空气供应系统传输到气动装置的压力管线；至少一个气动致动器，其用于激活气动装置；以及安全系统，其用以保护转子叶片免受由加压空气传输系统和/或致动器中的超压所引起的损害，其中，该安全系统包括用于从加压空气传输系统和/或致动器排放加压空气的器件。

本发明关注于气动地激活的致动器。这意味着，致动器由流体（特别是气体）激活，该流体具有一定的压力，该压力的范围为从接近技术性真空的极低压力一直到远远超出大气压的超压。此类致动器可被实现为压力软管或腔。如果将具有高于大气压的压力的加压空气引导到致动器中，则致动器的典型行为是致动器变得被充气并因此改变其构型（即，气动装置的其取向和/或形状）。

通过将空气驱除（purge）到致动器外，可实现类似或甚至相同的效果，诸如，它发生在加压空气供应系统的压力低于致动器中存在的空气的压力的情况下。

气动地激活此类气动装置所需的部件由所谓的压力供应系统组成。特别地，压力供应系统至少包括加压空气供应系统、气动致动器和加压空气传输系统（例如，压力管线），该加压空气传输系统用于将所供应的加压空气从加压空气供应系统传输到气动装置的气动致动器。

本发明的关键方面在于：转子叶片此外还包括安全系统，该安全系统用于保护转子叶片免受由加压空气传输系统的压力管线中或气动地激活的致动器中的超压所引起的损害。特别地，该安全系统包括用于从加压空气传输系统和/或致动器排放加压空气的器件。

有益地，相对快地发生加压空气的排放。快速响应（即，快速排放）是优选的，因为对转子叶片的损害因此得以最小化。应强调的是，从任何系统在实践中均具有接近关于压力的平衡的趋势的意义上说，本发明并不依赖于空气压力的自然均衡。相比之下，本发明具有以下理念：有意地提供一种安全系统，该安全系统具有用于将加压空气从原本有可能引起损害的位置排放出来的器件。

用于排放加压空气的器件可被机械地致动。

作为示例，可存在刚性的杆状构造，其中，杆可沿着叶片的长度轴线延伸。在叶片的根部区段处或甚至在风力涡轮机的毂中，可移动杆以便例如打开阀。该机械地致动的排放器件具有避免在风力涡轮机转子叶片内使用任何电动、气动或液压部件的益处。这在简单性方面以及还有在抵抗雷击或对转子叶片的其他有害的外部冲击的鲁棒性方面是有益的。

实现用于排放加压空气的器件的另一种值得关注的方式是电动激活。这可例如通过电磁阀来实现。此类电磁阀是控制和调节装置中的常见器件。在此，通过电脉冲来激活安全系统。在实践中，通过电脉冲，例如阀将打开并因此允许系统中的不期望的超压迅速逸出。此类电动激活的优点在于其采用灵活且节约空间的方法，因为只需要提供从电磁阀到排放器件（诸如，阀）的电缆。

排放加压空气以及其激活的另一种方式是气动激活。这可很好地与气动地激活的致动器协作，但是如果例如针对用于排放加压空气的器件而使用压力阀，则通过次级压力管线进行控制将是优选的。使用次级压力管线将是优选的，因为在例如主系统存在中断的情况下，分开的系统是有意义的。

在本发明的另一个实施例中，用于排放加压空气的器件包括具有设定压力的安全泄压阀，其中，如果加压空气传输系统和/或致动器中的压力超过预定值，则安全泄压阀打开。

此类安全泄压阀可在不进行任何机械、电动或气动激活的情况下工作。此类安全泄压阀可仅在作用在该阀上或作用在压力供应系统的某些部件上的压力超过预定值的情况下被动地打开。这具有以下优点：它将自主地工作，即，在失去对气动致动器的控制并且在系统中建立超压的情况下也工作。此外，不需要用于实现机械、气动或电动激活的连接器件。作为缺点，可提到的是，因此给出了较小的控制可能性，即安全泄压阀仅在处于预定值时打开而不能选择性地“按需”打开。

在本发明的另一个实施例中，用于排放加压空气的器件位于转子叶片的外半部中，特别是位于外三分之一的部分中，甚至更特别地位于外10%的部分中。

在该上下文中，外半部是指转子叶片的远离毂（即，远离附接有转子叶片的部分）定向的半部。用于排放加压空气的器件位于外半部中会是有利的，特别是如果具有气动致动器的气动装置也位于转子叶片的外半部中。因此，原因在于，由于在转子叶片的外半部中增加的风速，所以与转子叶片的内半部相比，如果将气动装置安设和安装在外半部中，那么提供气动装置的影响通常得以增加。

在本发明的另一个实施例中，加压空气传输系统包括用于将所供应的加压空气从加压空气供应系统传输到致动器的管道和/或管。

尽管有利地管道和/或管被构造和设计成坚固到足以承受某些压力，但此类安全系统不仅被设计成用于保护潜在地更敏感的致动器，而且还用于保护加压空气传输系统的管道和/或管。应注意，对加压空气传输系统的损害通常与压力供应系统中其他地方的损害一样，具损害性且维修成本高。

在本发明的另一个实施例中，致动器包括可充气软管和/或可充气腔。

软管通常是如下某物：它可以相对柔性地布置在转子叶片处，并且包括在一定程度上具有弹性的外皮，使得软管在其被充气时可以具有增加的体积，并且在其被放气时可以具有减小的体积。另一种替代性构型将是使用腔，该腔也被嵌入于相对弹性和柔性的材料中，使得该腔可以改变其体积，如在横截面图中看到的那样。

在本发明的另一个实施例中，如果在加压空气传输系统和/或致动器中达到预定的空气压力，则从压力供应系统自动地排放加压空气。

这具有以下优点：无需为了排放系统中潜在地具损害性的超压而给出专门的控制命令。相反，当系统中存在超压时，安全系统自动地工作并排放压力管线或致动器中的空气。

替代地，通过直接测量加压空气传输系统和/或致动器，来确定加压空气传输系统和/或致动器中的压力。

在自动排放的情况下，提供确定系统中的实际压力的某种器件是有利的和必要的。这可通过提供诸如压力计之类的换能器来实现。提供多个测量装置也可能是有利的。

在本发明的另一个实施例中，如果从风力涡轮机的主控制器向压力供应系统发射的电控制信号的发射被中断，则从压力供应系统自动地排放加压空气。

这涉及以下情形：失去对具有气动致动器的气动装置的控制，并且为了确保不会对系统引起损害，从系统排放和放出加压空气。

在本发明的另一个实施例中，转子叶片还包括另外的阀，该另外的阀允许不断朝向大气驱除空气。

这是有利的，以便避免灰尘、湿气或任何不想要的颗粒积聚在系统中。而且，这可考虑作为某种安全保护器件，因为空气不断地流动到系统外。该另外的阀通常与在气动致动器中提供排气端口密切相关。

最后，本发明还涉及一种用于发电的风力涡轮机，其包括根据上文所描述的实施例中的一个的至少一个转子叶片。

附图说明

现在在对附图的说明中来描述本发明的具体示例，这些附图非为限制性的，并且仅意在代表示例。附图图示了如下内容：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机的转子叶片；

图3示出了具有压力供应系统和安全泄压阀的转子叶片；

图4示出了压力供应系统的示意性概览图，该压力供应系统具有安全泄压阀和用于驱除（purging）的另外的阀；

图5示出了压力供应系统的示意性概览图，该压力供应系统具有用于排放加压空气的经电动控制的器件；

图6示出了压力供应系统的示意图，该压力供应系统具有用于排放加压空气的经气动控制的器件；以及

图7示出了气动致动器的示例，该气动致动器被实现为后缘襟翼中的腔。

应注意，附图呈示意性形式。类似或相同的元素可通过相同的附图标记来标记。

具体实施方式

图1示出了用于发电的常规风力涡轮机10。风力涡轮机10包括塔架11，该塔架通过一端安装在地面16上。在塔架11的另一端处，安装有机舱12。机舱12通常关于塔架11可旋转地安装，这被称为包括基本上垂直于地面16的偏航轴线（yaw axis）。机舱12通常容纳风力涡轮机的发电机以及容纳齿轮箱（如果风力涡轮机是齿轮传动风力涡轮机）。此外，风力涡轮机10包括毂13，该毂能够绕基本上水平的转子轴线14旋转。毂13常常被描述为转子的一部分，其中，转子能够将旋转能转移到发电机。

毂13是安装有转子叶片20的部分。转子叶片20通常可枢转地安装到毂13。换句话说，转子叶片20可以分别绕俯仰轴线（pitch axes）15俯仰。这通过有可能修改风撞击在转子叶片20上的方向，而改善了对风力涡轮机10的且特别是转子叶片20的控制。每个转子叶片20在其根部区段21处安装到毂13。根部区段21与转子叶片的尖端区段22相对。应注意，在如图1中所示的示例中，仅描绘了两个转子叶片20。然而，当今的大多数风力涡轮机包括三个转子叶片。

图2示出了风力涡轮机的此类转子叶片20，该转子叶片包括根部区段21和尖端区段22。两个区段（即，根部区段21和尖端区段22）沿转子叶片的翼展方向占多达百分之十。转子叶片的径向最外点是转子叶片20的所谓的尖端221。此外，转子叶片20包括后缘231和前缘241。围绕后缘231的区域被称为后缘区段23；同样，围绕前缘241的区域被称为前缘区段24。前缘241通常具有曲形的和圆化的形状，而后缘231通常具有尖锐的或钝的边缘。

后缘231和前缘241之间的直线被称为弦线27或简单地被成为弦27。弦线27将翼面分为压力侧25和吸入侧26。图2中示例性地示出了翼面中的一个。将理解，转子叶片20包括一个挨着一个的从根部区段21到尖端区段22的多个翼面。这些逐渐改变的翼面引起转子叶片的形状逐渐改变。翼面在转子叶片的大多数区段中具有升力产生形状。

图3示出了风力涡轮机的转子叶片20，该转子叶片包括根部区段21和尖端区段22。转子叶片20在转子叶片的外侧半部（outboard half）中的后缘区段23处包括襟翼。襟翼可以通过气动激活系统被主动地激活。该气动激活系统基本地包括气动致动器，为了清楚和简单起见，在图3的图示中省略了该气动致动器。

为了向气动致动器供应加压空气，设置有加压空气供应系统31，其布置成用于向气动致动器供应加压空气。这是通过加压空气传输系统32来实现和确保的，该加压空气传输系统基本地由压力管线组成，所述压力管线将加压空气供应系统31与气动装置28（特别是与气动致动器）连接。

应注意，转子叶片还包括安全泄压阀41。安全泄压阀41位于气动装置28的外侧端（outboard end）处。安全泄压阀41（其用控制和调节环境中所使用的其示意性符号来图示）可被设计为压力阀，如果达到或超过预定压力值，则该压力阀打开。

图4以非常示意性的概览图片示出了压力供应系统，该压力供应系统包括：加压空气供应系统31；气动致动器33；以及加压空气传输系统32，其将加压空气供应系统31与气动致动器33连接。此外，致动器33经由另外的压力管线首先与安全泄压阀41连接，并且其次与另外的阀45连接。安全泄压阀41可被设计成与上文结合图3所描述的安全泄压阀类似。另外的阀45意欲用于连续地将空气驱除到致动器33外并朝向大气驱除空气。这样做是为了允许加压空气不断地流动通过致动器。

图5示出了本发明的另一个实施例。再次，它示出了压力供应系统30，该压力供应系统包括：加压空气供应系统31；加压空气传输系统32，其包括压力管线；以及气动致动器33。再次，在致动器33的相对端（与连接有加压空气供应系统31的端相对）处，设置了另外的阀45，以用于不断地且连续地朝向大气驱除空气。

在此作为安全机构，先导控制阀43有意地控制用于排放加压空气的器件。先导控制阀43由电磁阀42激活，在图5中的本示例的情况下，该电磁阀位于靠近加压空气供应系统31处。如果整个系统被实施在转子叶片中，则加压空气供应系统31（其例如可能为简单的压缩机）和电磁阀42可能位于转子叶片的根部区段21处，或甚至位于风力涡轮机的毂13中。

应注意，如图5中所图示的本示例，它既公开了经由另外的阀45不断地排放加压空气，又公开了经由用于排放的先导控制器件进行紧急排放的可能性。因此，确保了快速的紧急排放和向大气的不断流动。最后，图5还公开了用于控制和调节系统的一些调节器47。

图6示出了压力供应系统30和伴随的安全机构的又一示例。压力供应系统30还包括：加压空气供应系统31；加压空气传输系统32，其例如被实现为压力管线；以及气动致动器33。图5和图6中的实施例之间的基本区别在于：就用于排放加压空气的器件而言，在如图5中所图示的实施例中，安全机构是经由电磁阀42（即，电动地）控制的，而在如图6中所图示的实施例中，该器件是由次级压力管线441来控制和激活的，该次级压力管线对压力阀44进行馈送（feed）。再次，系统中存在多样化的调节器47。

应注意，所有示出的实施例均可被设计成使得它们自动地工作。除了自动激活之外，或者代替自动激活的是，还可选择性地“按使用者需求”来控制它们。

最后，图7公开了气动致动器的示例。该示例包括腔331，该腔被嵌入于柔性和弹性的后缘襟翼中。后缘襟翼由襟翼281和适配器282组成。在如图7中所图示的实施例中，腔331被嵌入于适配器282中。这具有以下优点：襟翼281可以被定制并且可以容易升级或更换，而具有带有腔331的气动致动器的适配器282可以保持不变。适配器282在转子叶片的后缘区段23中附接到转子叶片的压力侧25。

应注意，通过与加压空气供应系统31连接的压力管线来向腔331馈送加压空气。作为附加特征，图7示出了压力计46，它能够测量腔331中的实际压力。这对于高效和可靠地控制气动致动器是有用的。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机（10）的转子叶片（20），所述转子叶片包括能够通过使用压力供应系统（30）来气动地致动的气动装置（28），

其中，所述压力供应系统（30）包括：

- 加压空气供应系统（31），

- 加压空气传输系统（32），其具有用于将所供应的加压空气从所述加压空气供应系统（31）传输到所述气动装置（28）的压力管线，

- 至少一个气动致动器（33），其用于激活所述气动装置（28），以及

- 安全系统，其用以保护所述转子叶片（20）免受由所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）中的超压所引起的损害，其中，所述安全系统包括用于从所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）排放加压空气的器件。

2.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其中，用于排放加压空气的器件被机械地致动。

3.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其中，用于排放加压空气的器件被电动地致动，特别地通过电磁阀（42）致动。

4.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其中，用于排放加压空气的器件被气动地致动。

5.根据权利要求4所述的转子叶片（20），

其中，用于排放加压空气的器件由压力阀（44）致动，所述压力阀由次级压力管线（441）来控制。

6.根据权利要求1所述的转子叶片（20），

其中，用于排放加压空气的器件包括具有设定压力的安全泄压阀（41），其中，如果所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）中的压力超过预定值，则所述安全泄压阀（41）打开。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其中，用于排放加压空气的器件位于所述转子叶片（20）的外半部中，特别是位于外三分之一的部分中，甚至更特别地位于外10%的部分中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其中，所述加压空气传输系统（32）包括用于将所供应的加压空气从所述加压空气供应系统（31）传输到所述致动器（33）的管道和/或管。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），其中，所述致动器（33）包括可充气软管和/或可充气腔。

10.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，如果在所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）中达到预定的空气压力，则从所述压力供应系统（30）自动地排放所述加压空气。

11.根据权利要求10所述的转子叶片（20），

其中，通过在所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）处的直接测量，来确定所述加压空气传输系统（32）和/或所述致动器（33）中的压力。

12.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，如果从所述风力涡轮机（10）的主控制器向所述压力供应系统（30）发射的电控制信号的发射被中断，则从所述压力供应系统（30）自动地排放所述加压空气。

13.根据前述权利要求中任一项所述的转子叶片（20），

其中，所述转子叶片（20）还包括另外的阀（45），所述另外的阀允许不断朝向大气驱除空气。

14.一种用于发电的风力涡轮机（10），其包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个转子叶片（20）。